Fabricación por impresión 3D de una membrana cerámica usando caolín como materia prima

Abstract

RESUMEN : El desarrollo de membranas cerámicas porosas a base de caolín viene presentándose como una alternativa para realizar procesos de purificación de agua cruda a través de procesos de microfiltración. Es por esto que en esta investigación se diseñó a través de un CAD, que se parametrizó mediante el software Simplify 3D y finalmente, se conformó una membrana cerámica por la técnica de impresión 3D de tinta directa o extrusión, utilizando dos caolines de naturaleza diferentes combinándolos con maltodextrina que funcionó como fluidificante y formador de poros con variaciones de 2 – 11% en peso de esta última. Las dimensiones de la membrana fueron de 50,8 mm de diámetro y 4,03 mm de espesor. Los patrones DRX de los caolines sin tratar, mostraron la presencia de fases como la caolinita, la halloysita y el cuarzo en mayor proporción. También, se evidenció que la maltodextrina presentaba inicio de degradación a 240 °C. Se estudió la reología de las tintas cerámicas diseñadas a partir de caolín y maltodextrina, evidenciando un multicomportamiento y pseudoplasticidad a través de curvas de flujo. Además, las tintas cerámicas A1, A4, A7, B1, B4 y B7 arrojaron valores de inyectabilidad de 25,65%; 28,96%; 51,36%; 32,01%; 37,58; y 54,95 % respectivamente. Las tintas cerámicas B1, B4 y B7 permitieron concebir membranas sinterizables a 1100°C, donde finalmente, se seleccionó la tinta cerámica B7 como la más ideal. Esta membrana cerámica seleccionada, presentó una porosidad del 35,94 %, un tamaño de poro promedio de 3,57 ± 4,99 µm µm, una resistencia mecánica a la flexión a tres puntos de 19,42 ± 1,88 MPa, una permeabilidad al agua de 278,02 Lh-1m-2bar-1, un porcentaje de retención de sólidos de 97%, una LRV de 0,32 y finalmente un rendimiento de membrana de 121.8 Lh-1m-2 a 0,15 bar. L membrana cerámica, también exhibió un comportamiento ideal en ambientes químicos extremos. La membrana mostró capacidad de limpieza de agua cruda captada, disminuyendo considerablemente los sólidos suspendidos y medianamente los patógenos, generándose en la superficie de la membrana ensuciamiento de tipo torta y/o bloqueo de poros.

ABSTRACT : The development of porous ceramic membranes based on kaolin has been presented as an alternative for the purification of raw water through microfiltration processes. This is why in this research a ceramic membrane was designed through a CAD, parameterized by means of Simplify 3D software and finally, a ceramic membrane was formed by the 3D printing technique of direct ink or extrusion, using two kaolin of different nature combined with maltodextrin that functioned as a fluidizing and pore-forming agent with variations of 2 - 11% in weight of the latter. The membrane dimensions were 50,8 mm in diameter and 4,03 mm thick. XRD patterns of the untreated kaolins showed the presence of phases such as kaolinite, halloysite and quartz in higher proportion. Also, it was evidenced that maltodextrin showed the beginning of degradation at 240 °C. The rheology of the ceramic inks designed from kaolin and maltodextrin was studied, showing multicomportance and pseudoplasticity through flow curves. In addition, ceramic inks A1, A4, A7, B1, B4 and B7 yielded injectivity values of 25,65%; 28,96%; 51,36%; 32,01%; 37,58; and 54,95 %, respectively. Ceramic inks B1, B4 and B7 allowed to conceive sinterable membranes at 1100°C, where finally, ceramic ink B7 was selected as the most ideal. This selected ceramic membrane showed a porosity of 35,94 %, an average pore size of 3,57 ± 4,99 µm, a three-point bending strength of 19,42 ± 1,88MPa, a water permeability of 278,02 Lh-1m-2 bar-1, a solids retention rate of 97 %, an LRV of 0,32 and finally a membrane yield of 121,8 Lh-1m-2 at 0.15 bar. The ceramic membrane also exhibited ideal performance in extreme chemical environments. The membrane showed capacity to clean the raw water captured, considerably decreasing suspended solids and moderately decreasing pathogens, generating cake-type fouling and/or pore blockage on the membrane surface.